張志強，周詩緯，郭波江，趙 真，王永玲

(三一重型能源裝備有限公司 北京 102202)

混砂車輸砂系統(tǒng)設(shè)計與研究*

張志強，周詩緯，郭波江，趙 真，王永玲

(三一重型能源裝備有限公司 北京 102202)

針對石油混砂車輸砂系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀與存在的缺點，設(shè)計出一種帶減速機的輸砂系統(tǒng)，即通過液壓泵、液壓馬達和減速機的方案。通過試驗驗證，有效的解決了輸砂系統(tǒng)在低速時的發(fā)卡故障，為進一步優(yōu)化混砂車輸砂系統(tǒng)提供參考。

混砂車；輸砂系統(tǒng)；馬達；減速機

Abstract: Aiming at present technology and shortcomings of the sand convey system in fracturing blender truck. and a sand transport system based on reducer is designed. This scheme adopted hydraulic drive hydraulic pump and reducer. The test validated this scheme can solve the hairpin fault in low speed of sand transport system effectively. A reference is provided for the further optimization of the sand conveying system of sand mixing truck.

Key words: sand mixing truck; sand transport system; motor; reducer

0 引 言

混砂車被廣泛應(yīng)用于石油、頁巖氣和煤層氣等行業(yè)，其與供水車、壓裂車、管匯車等設(shè)備協(xié)同作業(yè)形成壓裂設(shè)備組，用于向井內(nèi)注入高壓、大排量的壓裂液，將地層壓開，把支撐劑擠入裂縫中，使油氣從裂縫處流出，從而有效提高油氣井采收率。壓裂已經(jīng)成為改造低滲透油氣藏和開發(fā)深部油氣藏的主要手段[1]。

混砂車主要用于混合、攪拌、輸送壓裂作業(yè)需要的砂液等介質(zhì)。在石油壓裂施工過程中，混砂車的一些重要參數(shù)符合壓裂施工的設(shè)計要求，將直接影響壓裂施工的質(zhì)量，如混砂液的砂比、液態(tài)添加劑的比例、干粉添加劑比例等[2]。

輸砂系統(tǒng)是混砂車的關(guān)鍵部件之一，承擔著為混砂車輸送原料的重任，同時需要精準的計量。計量的準確性直接影響到這個壓裂作業(yè)的成敗。在施工工程中常發(fā)生由于加砂過快慢輸紗器絞龍軸卡阻等故障[3]。輸砂系統(tǒng)在低速時極易存在發(fā)卡問題，嚴重影響了計量的準確性，是整個壓裂作業(yè)成敗的關(guān)鍵風險之一。筆者針對混砂車低速發(fā)卡故障，改進了混砂車輸砂系統(tǒng)，通過實驗驗證，有效的優(yōu)化了混砂車輸砂系統(tǒng)。

1 輸砂系統(tǒng)設(shè)計

1.1 輸砂系統(tǒng)總體試驗方案

如圖1所示，輸砂試驗臺設(shè)備組包括絞龍、絞龍支架、稱重灌、液壓系統(tǒng)、減速機、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和試驗測試裝置(測速傳感器、稱重傳感器和NI數(shù)據(jù)采集儀等)。試驗用砂從第1個稱重灌自動流到第1個料斗，此料斗經(jīng)第1個輸砂絞龍把砂輸送到第2個稱重灌，此稱重灌的2個砂子經(jīng)第2個絞龍輸送到第1個稱重灌，如此往復循環(huán)。利用第2個液壓泵分別帶動2個輸砂馬達，輸砂馬達再分別帶動2個絞龍轉(zhuǎn)動。利用控制系統(tǒng)控制電比例190 mL/r變量泵的排量，進而調(diào)節(jié)絞龍的轉(zhuǎn)速。對混砂車輸砂系統(tǒng)進行功能測試、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試、連續(xù)性試驗。

圖1 輸砂系統(tǒng)試驗方案圖

1.2 輸砂系統(tǒng)試驗方案布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計

輸砂系統(tǒng)試驗方案液壓原理對比如圖2所示，圖2(a)為某類型的混砂車輸砂系統(tǒng)液壓原理圖，圖2(b)為試驗臺輸砂系統(tǒng)液壓原理圖，圖2(c)為增加減速機后的改進試驗方案。其中試驗臺采用水冷的形式冷卻液壓油。由圖2可看出二者為520 mL/r輸砂馬達提供的流量是基本相等的，完全能滿足試驗要求(混砂車用泵的排量為100 mL/r,轉(zhuǎn)速為2 739 r/min，流量為273.9 L/min；實驗方案用泵的排量為190 mL/r,轉(zhuǎn)速為1 440 r/min, 流量為273.6 L/min)。

圖2 液壓系統(tǒng)實驗方案圖

機械結(jié)構(gòu)采用兩組相同的絞龍和稱重灌。當采用相近的轉(zhuǎn)速時，可保證試驗的連續(xù)性。

電氣系統(tǒng)采用三一公司集團專用運動控制器，通過程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的控制功能。即扳動轉(zhuǎn)向選擇鈕子，便可使相應(yīng)的電磁鐵得電，從而控制絞龍的旋向；扳動速度調(diào)節(jié)鈕子，便通過程序控制變量泵的斜盤角度，從而通過調(diào)節(jié)流量改變絞龍轉(zhuǎn)速大小。

2 輸砂系統(tǒng)計算

2.1 計算方法及公式

2.1.1 螺旋葉片直徑的計算(為實體式螺旋葉片)

D=3Q(47k1·n·φ·λ·ε)

(1)

式中：D為螺旋葉片直徑，m；Q為輸砂量，t/h；k1為螺旋螺距與直徑的比例系數(shù)，一般傾斜取K1≤0.8(取0.7)，n為螺旋轉(zhuǎn)速，1～400r/min；φ為填充系數(shù)，取0.35；λ為單位體積質(zhì)量，t/ m3；ε為斜輸送系數(shù)(根據(jù)不同的角度取不同的值，見表1)。

表1 傾斜角和斜輸送系數(shù)表

2.1.2 單個絞龍功率的計算

總的軸功率應(yīng)包括物料運行需要功率P1，空載運轉(zhuǎn)所需功率P2以及由于傾斜引起的附加功率P3等三部分。

P=P1+P2+P3

=QLμ/367+DL/20+QHsinβ/367

(2)

H=L·sinβ

(3)

式中：P為螺旋軸所需功率，kW；P1為物料運行需要功率，kW；P2為空載運轉(zhuǎn)所需功率，kW；P3為由于傾斜引起的附加功率，kW；L為輸送距離，m；H傾斜高度，m；μ為物料運行阻力系數(shù)，β為傾斜角。

2.1.3 驅(qū)動功率計算

N=ε·P·η

(4)

式中：N為驅(qū)動需要的總功率，kW；ε為功率儲備系數(shù)，一般取1.2～1.4，η為電動機傳動效率，η≤0.9,一般為了方便取0.9。

2.1.4 輸砂量計算

Q=47·D2·S·n·φ·η·ε

(5)

S=K1·D

(6)

傾斜角為45°時的經(jīng)驗公式為:

Q=0.38·D2·d2·n·P

(7)

式中：Q為輸砂量，m3/h；d為輸砂軸軸直徑，m；為S螺距，m；K1為螺距系數(shù)，對于標準的輸送機，通常螺距為K1取0.8～1.0，當傾斜布置或輸送物料流動性較差時K1≤0.8；當水平布置時，K1取值范圍為0.8～1.0[4]。

2.2 公式參數(shù)輸入及計算結(jié)果

以HS210用螺旋輸砂器為例，計算輸砂量，其計算結(jié)果如表2所列。

表2 HS210系列螺旋輸砂器主要參數(shù)表

從上述計算結(jié)果可看出，在保證2 m3/min的前提下，液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速值需要400 r/min。在液壓泵排量為100 mL/r，轉(zhuǎn)速為2 739 r/min的情況下，選520 mL/r的馬達時彎曲滿足轉(zhuǎn)速要求，最高轉(zhuǎn)速可達到526 r/min.可以考慮在馬達前加一個減速比為1.3的減速機，這樣就保證滿足馬達轉(zhuǎn)速的情況下，增大了馬達的扭矩。

3 輸砂系統(tǒng)試驗驗證

3.1 試驗方法

(1) 不帶減速機方案試驗

分別啟動1#和2#絞龍，逐步提高絞龍轉(zhuǎn)速，檢測絞龍是否轉(zhuǎn)動，絞龍液壓馬達轉(zhuǎn)動是否正常；不斷變換絞龍轉(zhuǎn)速，檢測絞龍工作是否有發(fā)卡、干涉、異響等現(xiàn)象；通過變換正反轉(zhuǎn)控制按鈕，檢測絞龍正反轉(zhuǎn)功能是否正常。

通過調(diào)速按鈕，逐步改變絞龍轉(zhuǎn)速，并通過NI設(shè)備檢測到的速度-時間曲線，判定最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

模擬混砂車絞龍實際輸砂工況，提供不同密度的砂粒和不同砂液比，使絞龍置于某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下連續(xù)運行，檢測絞龍在不同工況下的工作性能。

(2) 帶減速機方案試驗

在馬達后加減速比為1.3的減速機，按照同樣的方法對輸砂絞龍進行試驗。

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 功能測試

表3為功能測試記錄表。

表3 功能測試記錄表

測試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 空載試驗工況，絞龍正反轉(zhuǎn)測試功能正常，其他各項功能均比較正常。

(2) 帶載試驗工況，絞龍運行一段時間，停機后再次啟動，低速啟動困難，需不斷提升絞龍轉(zhuǎn)速，才可以啟動；帶減速機的絞龍不存在低速啟動困難現(xiàn)象。

(3) 帶載試驗工況，低速運行狀態(tài)下，兩個絞龍均出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象，發(fā)卡時工作油壓最大值6 MPa，帶減速的絞龍發(fā)卡時工作油壓為4.5 MPa。

3.2.2 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試

表4為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試記錄表。

測試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 不帶減速機裝置試驗時，1#、2#絞龍最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速與理論值有差距，絞龍轉(zhuǎn)速在20 r/min以下，絞龍轉(zhuǎn)動不連續(xù)，出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象；帶減速機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在理論范圍之內(nèi)。

(2) 絞龍的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速均大于300 r/min，且?guī)p速機的裝置的最高穩(wěn)定轉(zhuǎn)速更高。

表4 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試記錄表

3.2.3 連續(xù)性試驗

表5為連續(xù)性試驗工況表(不帶減速機方案)，表6為連續(xù)性試驗工況表(帶減速機方案)

表5 連續(xù)性試驗工況表(不帶減速機方案)

表6 連續(xù)性試驗工況表(帶減速機方案)

測試結(jié)果總結(jié)如下：

(1) 不帶減速機的1#、2#絞龍在低轉(zhuǎn)速(20 r/min以下)連續(xù)運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動不連續(xù)，會出現(xiàn)發(fā)卡，工作油壓波動頻繁，最高瞬時壓力值8 MPa；

(2) 帶減速機的絞龍：1#絞龍在9 r/min連續(xù)運轉(zhuǎn)時，出現(xiàn)2次卡死現(xiàn)象，第一次卡死，油壓5 MPa，第二次卡死，油壓6 MPa，卡死后又恢復運轉(zhuǎn)；2#絞龍在9 r/min連續(xù)運轉(zhuǎn)時，出現(xiàn)一次卡死現(xiàn)象，油壓6 MPa；

(3) 不帶減速機的絞龍轉(zhuǎn)速在20 r/min以上，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，工作油壓波動??；帶減速機的絞龍轉(zhuǎn)速在10 r/min以上，運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較好，工作油壓波動小。

(4) 高轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)時，兩種絞龍工作性能均比較穩(wěn)定，油壓值基本保持在4 MPa或5 MPa。

4 試驗結(jié)論

以上兩種絞龍試驗分別運轉(zhuǎn)約12 h，其中功能性和穩(wěn)定轉(zhuǎn)速試驗1.5 h，連續(xù)性試驗8 h，標定試驗3 h，達到了試驗目的，通過以上試驗，得出如下結(jié)論：

(1) 1#、2#絞龍正反轉(zhuǎn)測試功能正常，試驗完成后，各部件工作性能滿足使用要求。

(2) 不帶減速機的1#、2#絞龍低速(20 r/min以下)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性較差，低速運轉(zhuǎn)出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象，工作油壓波動頻繁，高速運轉(zhuǎn)比較穩(wěn)定，工作油壓基本保持不變；最終測量數(shù)據(jù)顯示，絞龍的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速分別為22 r/min和20 r/min。在絞龍馬達后加減速機之后，性能得到較大幅度的提升，最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速可達到11 r/min和10 r/min。

總體來說，1#、2#絞龍加減速機之后工作性能基本滿足設(shè)計和使用要求，但還需后續(xù)產(chǎn)品研發(fā)改進和裝配工藝提升，才能提升絞龍的低轉(zhuǎn)速工作性能。

[1] 張小平.壓裂設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].石油天然氣學報，2008(10)：364-366.

[2] 鄧斌奇.混砂車的發(fā)展趨勢研究[J].勘探開發(fā)，2011(7)：93.

[3] 劉玉明.XC-HS60混砂車輸砂系統(tǒng)常見故障判斷與處理[J].機械研究與應(yīng)用，2010(11)：108-109.

[4] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：北京化學出版社，2007.

Design and Research for the Sand Transport System of Sand Mixing Truck

ZHANG Zhi-qiang, ZHOU Shi-wei, GUO Bo-jiang, ZHAO Zhen, WANG Yong-ling

(SanyHeavyEnergySourcesEquipmentCorporation,Beijing102202，China)

2014-07-21

張志強(1984-)，男，河南周口人，工程師，主要從事于壓裂設(shè)備設(shè)計與研究方面的工作。

TE358.1

A

1007-4414(2014)04-0134-04